[發(fā)明專利]三相圓柱形曲面線圈及基于此的全空間無線電能傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010929399.7
• 申請(qǐng)日: 2020-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN112018903B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫躍;馮天旭;王智慧;唐春森
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J50/00
• 分類號(hào): H02J50/00;H02J50/12
• 代理公司: 重慶敏創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 50253
• 代理人: 陳千

本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種三相圓柱形曲面線圈及基于此的全空間無線電能傳輸系統(tǒng)，三相圓柱形曲面線圈包括尺寸相同、匝數(shù)相同、均勻分布而圍合成一圓柱筒狀的A相線圈繞組、B相線圈繞組、C相線圈繞組，各相線圈繞組自身圍合角度為180°，任意兩相線圈繞組之間的機(jī)械角度為120°。優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)給與不同線圈繞組不同相位的電流激勵(lì)時(shí)，各個(gè)線圈繞組產(chǎn)生不同方向的磁場(chǎng)，通過控制激勵(lì)電流，使得整個(gè)三相圓柱形曲面線圈可產(chǎn)生全方向勻強(qiáng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拾取線圈放置于該勻強(qiáng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中任意位置均可拾取到相同的電壓，從而使得拾取線圈在全空間方位發(fā)生變化時(shí)的輸出電壓波動(dòng)為最小，同時(shí)采用體積較小且重量較輕的單維線圈作為接收線圈。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三相圓柱形曲面線圈、一種三相圓柱形曲面線圈的激勵(lì)方法、一種全空間無線電能耦合機(jī)構(gòu)和一種基于三相圓柱形曲面線圈的全空間無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，磁耦合無線電能傳輸(MC-WPT)技術(shù)在便攜式電子設(shè)備[1]、植入式醫(yī)療設(shè)備[2]、電動(dòng)汽車[3]、水下機(jī)器人[4]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，針對(duì)分布在空間中各個(gè)方位的移動(dòng)電子設(shè)備無線供電的需求，由一對(duì)環(huán)形線圈組成的傳統(tǒng)的無線供電系統(tǒng)因無法克服接收端的角度旋轉(zhuǎn)或位置偏移的問題，已經(jīng)無法滿足對(duì)于分布式、多點(diǎn)化、大范圍的移動(dòng)電子設(shè)備全空間無線供電的需求，影響了無線電能傳輸技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

全空間無線電能傳輸技術(shù)由于具有位置魯棒性強(qiáng)、供電穩(wěn)定性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和科研院所的廣泛關(guān)注。其中電磁耦合機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全空間無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化主要包括三個(gè)方面：1)發(fā)射機(jī)構(gòu)采用分布式發(fā)射線圈產(chǎn)生全空間多維運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，拾取機(jī)構(gòu)則采用單維線圈接收空間中各個(gè)方位的磁能以實(shí)現(xiàn)全向無線電能傳輸；2)發(fā)射機(jī)構(gòu)采用單維線圈產(chǎn)生單個(gè)方向的磁場(chǎng)，拾取機(jī)構(gòu)則采用分布式拾取線圈將拾取到的電能集中輸出以實(shí)現(xiàn)全空間無線電能傳輸；3)發(fā)射機(jī)構(gòu)采用分布式發(fā)射線圈產(chǎn)生空間多維運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，拾取機(jī)構(gòu)采用分布式拾取線圈將拾取到的電能集中輸出以實(shí)現(xiàn)全空間無線電能傳輸。

針對(duì)第一種耦合機(jī)構(gòu)模式，文獻(xiàn)[5-7]采用二維和三維兩兩正交的環(huán)形線圈作為發(fā)射機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)了全空間無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[8]采用三相圓柱形線圈作為發(fā)射機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟開關(guān)條件以及輸出功率的波動(dòng)性進(jìn)行了分析，但該文中系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)較大。文獻(xiàn)[9]針對(duì)手機(jī)等電子設(shè)備全空間無線供電的需求，設(shè)計(jì)了一種由5個(gè)發(fā)射線圈組成的充電碗。針對(duì)第二種耦合機(jī)構(gòu)模式，文獻(xiàn)[10]提出了一種基于正四面的無線電能傳輸系統(tǒng)多自由度拾取機(jī)構(gòu)，但該拾取機(jī)構(gòu)占用的空間體積較大。文獻(xiàn)[11]提出了一種由交叉偶極線圈和平面環(huán)形線圈組成的正交形拾取線圈，相較于傳統(tǒng)的三維拾取機(jī)構(gòu)大大減小了空間體積。針對(duì)第三種耦合機(jī)構(gòu)模式，文獻(xiàn)[12]的發(fā)射線圈以及拾取線圈均采用長(zhǎng)條形交叉偶極線圈實(shí)現(xiàn)了六自由度全空間無線電能傳輸。文獻(xiàn)[13]的發(fā)射機(jī)構(gòu)由陣列式的扁平方塊形交叉偶極線圈組成，拾取機(jī)構(gòu)采用扁平的方塊形交叉偶極線圈，該文構(gòu)建了一個(gè)寬范圍全空間的無線傳能區(qū)域。采用交叉偶極線圈相對(duì)于傳統(tǒng)的三維線圈優(yōu)勢(shì)在于減小了空間體積，但是由于磁芯的引入增加了耦合機(jī)構(gòu)的重量。

可見得，目前缺乏一種耦合機(jī)構(gòu)及應(yīng)用該耦合機(jī)構(gòu)的無線傳輸系統(tǒng)，可有效減小拾取線圈在全空間方位發(fā)生變化時(shí)的輸出電壓波動(dòng)，同時(shí)拾取線圈的體積和重量均比較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]E.S.Lee,J.S.Choi,H.S.Son,S.H.Han,and C.T.Rim,Six Degrees ofFreedom Wide-Range Ubiquitous IPT for IoT by DQ Magnetic Field,IEEETransactions on Power Electronics,vol.32,pp.8258-8276,2017-01-01 2017.